На главную Тексты книг БК Аудиокниги БК Полит-инфо Советские учебники За страницами учебника Фото-Питер Техническая книга Радиоспектакли Детская библиотека

Занимательная ядерная физика. Мухин, 1985

Константин Никифорович Мухин

Занимательная ядерная физика

*** 1985 ***


PDF


Далее оглавление и фрагмент книги (§1). Спецсимволы и графику отразить не потянули; распечатайте книгу и пользуйтесь.

      ОГЛАВЛЕНИЕ
     
      Предисловие к третьему изданию 3
      Из предисловий к предыдущим изданиям 4
     
      Глава 1. (Вводная, она же завершающая)
      ЧТО ТАКОЕ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
     
      § 1. Наша программа 10
      Обращение к читателю. — Этапы познания природы. — Четыре элемента древних греков. — Атомистическая теория. — Тысячи молекул из сотни атомов. — Три элементарных кирпичика. — Новые открытия. — Опять сотни. — А может быть, их все-таки не так уж много? — Программа этой книги.
     
      § 2. Элементарные частицы и силы, действующие между ними 13
      Из чего и как устроен атом. — Протон, нейтрон и электрон. — Ядерные и электромагнитные силы. — Позитрон и нейтрино. — Слабые силы. — Мезону. — Странные частицы. — Очарованные и прелестные частицы. — W и Z-бозоны. — Свойства элементарных частиц. — Законы сохранения. — Античастицы. — Резонансы. — Кварки. — Глюоны.
     
      § 3. Взаимодействие элементарных частиц со средой 17
      Сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия протона. — Разновидности электромагнитного взаимодействия заряженных частиц. — Особенности взаимодействия нейтронов со средой. — Быстрые и тепловые нейтроны. — Замедлители и поглотители нейтронов. — Ультрахолодные нейтроны. — Взаимодействие y-квантов со средой: фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар.
     
      § 4. Атомные ядра 24
      Заряд и масса. — Размеры и форма. — Энергия связи. — Капельная модель. — Модель ядерных оболочек. — Магические числа. — Спин и магнитный момент. — Возбужденное состояние. — Ядерные уровни. — Антиядра.
     
      § 5. Радиоактивные превращения ядер 26
      Закон радиоактивного распада. — Постоянная распада, время жизни и период полураспада. — a-Распад. — b-Распад. — Захват электрона. — Искусственная радиоактивность. — y-Излучение. — Внутренняя конверсия. — Ядерная изомерия. — Эффект Мёссбауэра. — Спонтанное деление. — Испускание запаздывающих нуклонов. — Протонная и двупротонная радиоактивность.
     
      § 6. Ядерные взаимодействия 31
      Виды ядерных реакций. — Законы сохранения. — Энергия реакции Q. — Пороговые реакции. — Промежуточное ядро. — Формула Брейта — Вигнера. — Нейтронная спектроскопия. — Рассеяние быстрых нейтронов. — Прямые процессы. — Срыв и подхват. — Кластеры.
     
      § 7. Ядерная энергетика
      Особенности реакции деления. — Цепная реакция. — Первые реакторы и атомная бомба. — Применение атомной энергии. — Реакция синтеза. — Возможность самоподдерживающегося процесса синтеза. — Термоядерная реакция на Солнце. — Водородная бомба. — Трудности осуществления управляемого термоядерного синтеза.
     
      Глава 2. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА 37
     
      § 8. Масса и энергия 37
      Всегда ли прав Ньютон? — Классическая и релятивистская механика. — Полная энергия и энергия покоя. — Что такое аннигиляция? — Может ли пуля стать сверхсупербомбой? — Нечто о Тунгусском метеорите. — Аннигиляция в лаборатории.
     
      § 9. Масса и кинетическая энергия при больших скоростях 41
      Чем быстрее, тем тяжелее. — 300 000 км/с и не больше. — Масса покоя и релятивистская масса. — Что такое циклотрон? — Почему циклотрон не пригоден для ускорения электронов. — Открытие В.И. Векслера. — Большая семья ускорителей. — Замечательный множитель (...)
     
      § 10. Замедление времени 48
      Время зависит от скорости. — Можно ли увидеть своих внуков через год после ... рождения сына? — Опять у — Как мюон прожил 10 жизней. — Измерение времени жизни длительностью (...). — Рекордсмены среди короткоживущих.
     
      § 11. Сокращение размеров 53
      Короче друг друга! — И снова у — Мысленный опыт. — «Верхом» на п-мезоне. — Чем быстрее, тем короче и плотнее.
     
      § 12. Сложение и вычитание скоростей по Эйнштейну 55
      Пуля из самолета. — Позитрон из мюона. — Когда 3 + 3 = 3 и 3 + 1 = 3. — Ценою жизни. — Потомки элементарных частиц. — Четыре поколения частиц. — Бывает, что и 4 = 1. — Стрельба назад. — Вопреки здравому смыслу. — Неразменный рубль. — Самое удивительное: 1-1 = 1.
     
      § 13. О движении быстрее света 61
      Скорость света в оптически плотной среде. — Тормозное и синхротронное излучения. — Эффект Вавилова — Черенкова. — Черенковские счетчики.
     
      Глава 3. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА 64
     
      § 14. Немного об обычной механике
      Обитатели микромира, их размеры и масса. — Что такое траектория. — Классическая механика в школе, астрономии и космонавтике. — Большие скорости — не помеха. — Трудности — в малых размерах.
     
      § 15. Квантовая теория Бора 65
      Планетарная модель Резерфорда. — Устойчив ли атом? — Спутник в атмосфере и за ее пределами. — «Сумасшедшая» теория. — Квантование электронных орбит. — Квантовые числа и правила отбора. — Слишком много постулатов. — Противоречие с магнитным моментом электрона.
     
      § 16. Механика терпит фиаско 69
      Читатель на стройплощадке и в физической лаборатории. — Непутевые (но вездесущие) электроны. — Электрон заглядывает за угол. — Волна де Бройля. — Следы электронов. — Волна или частица? — Соотношение неопределенностей (или: нос вытащишь — хвост увязнет).
     
      § 17. Что такое квантовая механика 76
      «Понять нельзя, но привыкнуть можно». — Квантовую механику — младенцам! — Основные идеи квантовомеханических уравнений. — Понятие о ш-функции и квадрате ее модуля (...). — Когда применять квантовую механику бессмысленно.
     
      § 18. Успехи квантовой механики 79
      1 Квантовая механика и объективная реальность 79
      Нечего на зеркало пенять.
      2. Уравнение Шредингера 79
      Строение атома. — Гениальность — хорошо, логика — лучше. — Загадка a-распада. — Шарик на крыше. — Старик Хоттабыч и квантовая механика. — Микрочастица проходит через стену.
     
      3. Уравнение Дирака
      Предсказание позитрона. — Когда космическому кораблю не нужно топливо. — Проблема отцов и детей, или война ученого с уравнением. — «Дырка» Дирака. — Сыграем в шашки. — Позитрон из «дырки». — Частица и античастица. — Еще об аннигиляции.
      4. Проблема ядерных сил
      А теперь сыграем в бильярд. — Перезарядка нуклонов. — Предсказание мезонов. — Частица из «ничего». — Виртуальные и реальные частицы. — Ядерное время.
     
      Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЧАСТИЦ
     
      § 19. Четыре типа взаимодействия
      1. Гравитационное взаимодействие
      Когда чувства обманывают. — Общая теория относительности Эйнштейна. — Тяготение и движение. — Какие синяки лучше? — Тяжелая и инертная массы. — Принцип эквивалентности. — Читатель на карусели. — Есть ли масса у света?
      2. Электромагнитное взаимодействие
      Сравнение с гравитационным. — Скрытое могущество. — Немного фантазии. — Время протекания электромагнитных процессов.
      3. Сильное (ядерное) взаимодействие
      Самые интенсивные силы. — Насыщение. — Спиновая зависимость. — Нецентральный характер. — Зарядовая симметрия и зарядовая независимость. — Обменный характер. — Кванты ядерного взаимодействия.
      4. Слабое взаимодействие
      Самые короткодействующие силы. — Характерное время. — Так ли уж оно слабо? — От девичьей ресницы до Солнца. — Кто как взаимодействует.
     
      § 20. Законы сохранения
      1. Закон сохранения энергии
      Однородность времени. — Еще раз об энергии и массе покоя. — Новый способ измерения энергии. — Неизменность полной энергии. — Драма с b-распадом. — Предсказание нейтрино. — Мысленный опыт с у-квантом. — Неужели вечный двигатель? — Красное и синее смещение. — Когда мысленный опыт становится реальным.
      2. Закон сохранения импульса
      Однородность пространства. — Релятивистский импульс. — Выстрел из пушки. — Выстрел в . пушку. — Нуклоном в ядро. — Рождение 71-мезона.
      3. Закон сохранения момента количества движения
      Изотропность пространства. — Гиря над головой. — Читатель и велосипедное колесо. — Фигурное катание. — Почему вертолет не вращается? — Спин и орбитальный момент. — Принцип Паули.
      4. Законы сохранения электрического и других зарядов 121
      Законы сохранения — это правила отбора. — Электрический, барионный и лептонный заряды. — Сохранение странности, очарования и прелести. — Примеры реакций.
      5. Закон сохранения четности 125
      Зеркальная симметрия. — Четные и нечетные волновые функции. — Запреты по четности. — Нарушение закона сохранения четности в слабых взаимодействиях.
      6. Закон сохранения изотопического спина 127
      Зарядовая независимость ядерных сил. — Изоспин. — Изотопические мультиплеты. — Закон сохранения изоспина.
     
      Глава 5. «ЭНЕРГИЯ ИЗ МАССЫ» 129
     
      § 21. О «переходе массы в энергию» и обратно 129
      Правильны ли заголовки? — Два вида энергии. — Читатель в метро. — Какая пружина тяжелее — скрученная или нескрученная? — О законе сохранения массы в химии. — Ядерная «пружина». — Две проблемы и четыре задачи.
     
      § 22. Энергия связи атомного ядра 133
      Что «тяжелее» — ядро или его нуклоны? — Что такое энергия связи? — Как «взвесили» ядра. — Можно ли реализовать энергию связи?
     
      § 23. Деление и синтез ядер 135
      Какие ядра прочнее и почему? — Мысленный опыт с ядром урана. — Энергия синтеза. — Критерий Лоусона.
     
      Глава 6. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ 139
     
      § 24. Основные свойства реакции деления 13g
      Кто, как и когда открыл деление. — Почему продукты деления радиоактивны? — Вторичные нейтроны.
     
      § 25. Капельная модель ядра 141
      Ядро и капля. — Как вычисляют массу атомных ядер. — «Параметрическая болезнь». — Притча об искусственном слоне.
     
      § 26. Теория деления 143
      Сделаем из капли две. — Параметр деления. — Барьер деления. — Спонтанное деление.
     
      § 27. Цепная реакция деления 145
      Танец с саблями. — Где взять нейтроны? — Почти по Мюнхгаузену. — Все начинается с харакири. — Коэффициент размножения.
     
      § 28. Практическое решение проблемы человеком и природой 148
      1. Как этого добились люди
      Трудности проблемы. — Разбухающая сабля. — Опасный противник. — Читатель в плену. — Подвиг нейтрона. — Уран-графитовая решетка. — Критические размеры и критическая масса. — Атомная бомба и ядер-ный реактор. — Читатель отдыхает.
      2. Возможна ли цепная реакция деления в природе? 155
      Что может и чего не может сделать природа? — Слетаем в прошлое. — Каким будет уран через 2 млрд, лет и каким он был 2 млрд.лет тому назад? — Реактор, который работал в течение 600 тыс. лет. — Автоматика природного реактора. — Как это узнали?
     
      Глава 7. НА СТЫКЕ С ДРУГИМИ НАУКАМИ 157
     
      § 29. Ядерная физика и математика 157
      Взаимосвязь физики и математики. — Три типа задач. — Задача о случайных блужданиях и ее решение с помощью робота. — Сыграем в рулетку. — Бумажный человечек. — Метод Монте-Карло. — Бильярд втемную. — Сложная игра микрочастиц. — Расчет коэффициента размножения.
     
      § 30. Ядерная физика и химия 168
      Три трудности: очень мало, очень похожи, очень быстро распадаются. — Как открыли искусственную позитронную радиоактивность. — Метод носителя. — Читатель ставит опыт с горохом. — Искусственная электронная радиоактивность. — Метод Сцилларда — Чалмерса, — Свойства осколков деления. — Первый трансурановый элемент — нептуний. — Ионообменная хроматография. — Плутоний. — Ультра-микрохимия. — 17 атомов менделевия. — Без химиков плохо! — Открытие 104-го. — Элемент, живущий долю секунды. — Экспресс-химия. — Химические свойства по 11 атомам!
     
      § 31. Ядерная физика и медицина 179
      Радиостанция в желудке. — Репортаж из тонкой кишки. — Самая маленькая радиостанция. — Как измерили скорость и объем кровотока. — Сколько крови в человеке. — Органы-коллекционеры. — Путешествие радиоактивного иода. — Алло, алло, говорит щитовидная железа! — Чудесная краска. — Диагностика рака. — Как запеленговать опухоль. — Телепередача из печени. — Лучевая терапия. — Из пушки — по клеткам. — И т.д. и т.п.
     
      §32. Ядерная физика и археология 185
      Хронология древностей. — Точные науки и хронология. — «Замороженный» магнетизм. — Радиоуглеродный метод. — Читатель снова летит в прошлое. — Пенек и мумия в роли часов. — Посмертный возраст. — О «правилах игры» в науке. — Читатель становится физиком. — Расчет опыта. — Трудности измерения. — «Омоложение» каменного угля. — Дерево как машина времени. — Нераскрытый секрет природы. — Трудная наука — физика!
     
      Глава 8. ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ КОЛЛЕКЦИЯ 199
     
      § 33. Что умеет и о чем мечтает ядерная физика.199
      Достижения в народном хозяйстве. — Успехи в развитии наук. — Задачи самоусовершенствования. — Занимательная коллекция.
     
      § 34. Неожиданные применения 201
      1. Загадка Тунгусского метеорита 201
      Как это произошло. — Пять недоуменных вопросов. — Ядерная гипотеза. — Опыт на расстоянии. — Опять древесные кольца. — Эффект 1909 г.
      2. Ядерная физика и... криминалистика 204
      Вычислительная машина «ловит» преступника. — Следы всегда остаются. — Что такое активационный анализ? — Можно ли найти человека по одному его волоску? — Как раскрыли преступление, совершенное полтораста лет назад. — Взрыва не будет!
      3. Поиски сокровищ 208
      По стопам Остапа Бендера. — Верили ли нам наши предки? — Взгляд сквозь толщу пирамиды.
      4. Разведка кладовых природы 209
      Сокровища природы. — Разведка с самолета. — Нейтрон-искатель. — Радиоактивный каротаж. — Ускоритель в буровой скважине. — Подземный разведчик. — Как отличают нефть от воды. — Разведка через стальную стену. — Нефть из старых скважин. — Подводный разведчик. — Золото со дна океана. — Просвечивание Земли.
      5. В погоню за илом 214
      Читатель следит за фарватером. — Мартышкин труд. — Куда сбросить ил, чтобы он не вернулся? — Меченый грунт.
      6. Ядерное тепло 215
      Когда шуба греет. — Саморазогревающиеся препараты. — Ядерный скафандр водолаза. — Ядерная печка Лунохода. — А СТ.
      7. Радиоактивный громоотвод 216
      Как работает обыкновенный громоотвод. — Радиус действия громоотвода. — у-Кванты в роли острия.
      8. В помощь больному сердцу 217
      Враг № 1. — Операции на сухом сердце. — Человек с чужим сердцем. — Мечта об искусственном сердце. — Борьба с аритмией. — Ядерный стимулятор сердца. — Атомная электростанция внутри организма. — Сердце в животе.
     
      § 35. Интересные проекты и решения 220
      1. Воздушные и космические ядерные двигатели 220
      Почему трудно построить атомный самолет? — Самолет хорошо — дирижабль лучше. — Летающая гостиница. — Атомный космический корабль. — Полет на Марс.
      2. Подземные ядерные взрывы 223
      Дешево и сердито. — Ядерная труба. — Как повысить выход газа или нефти из скважины. — Подземные хранилища. — Воздушный аккумулятор. — Геотермальная электростанция. — Второй Панамский канал. — Вопросы безопасности.
     
      3. Гигантские ускорители 224
      Серпуховский ускоритель. — Электромагнит длиной 1,5 км. — 500 000 км за 3 с. — Можно ли найти советский вымпел на Луне? — Серпуховский эффект. — 500 млрд, электрон-вольт! — Тэватрон и ускорительно-накопительный комплекс. — Ускорители нового типа. — Релятивистские ядра. — Ускорительный комплекс тяжелых ионов.
     
      § 36. Удивительные точности 229
      1. Самое маленькое время жизни 229
      «Долговечные» и короткоживущие частицы. — Как извлекают точность из неопределенности. — Самые короткоживущие.
      2. Самое точное измерение энергии 230
      Время жизни ядерного уровня. — Естественная ширина линии. — Эффект Мёссбауэра. — Пушка на лафете. — Не так-то просто! — Когда возможен эффект Мессбауэра. — Как проигрыватель для грампластинок послужил высокой науке.
      3. Самая маленькая разность масс 236
      Одна десятитысячная микрограмма. — Можно ли заметить лишнюю каплю воды в озере? — В 100 млрд, раз меньше массы электрона.
     
      § 37. Любопытные эффекты и остроумные решения 237
      1. Радиоактивность ... человека 237
      Радиоактивный читатель. — Как измеряют радиоактивность человека. — Мужчина или женщина?
      2. Радиоактивный сыр 238
      Когда залежавшиеся продукты лучше свежих.
      3. Восстановление фотографий 239
      Пропавшее изображение. — Автографы невидимок. — Вторая жизнь фотоснимка.
      4. Светящийся электрон 240
      Какого цвета электрон? — «Разноцветные» атомы. — Еще раз о свечении Вавилова — Черенкова. — Как увидели один электрон. — Синхротронное излучение. — Электрон — «хамелеон». — Вести из глубин Вселенной.
      5. Ц-Катализ 243
      Странный родственник электрона. — u-Атом. — Зачем мюону большая масса? — Еще один родственник. — Почему их три? — Ядерный катализатор. — А счастье было так возможно, так близко ... — Температурный эффект. — Стократное повторение. — Внутри ядра. — Землемер микромира.
      6. Встречные пучки 247
      Читатель терпит аварию. — Что такое хорошо и что такое плохо? — Можно ли в результате столкновения двух «Волг»получить автобус? — Читателю повезло. — Ускорители со встречными пучками. — Накопительные кольца. -ВЭП-1 и ВЭПП-2. — SPEAR, ВЭПП-4, PETRA. — Встреча протонов. — рр-Коллайдер. — Планы на будущее. — Мамы всякие нужны, мамы всякие важны.
     
      Глава 9. НЕКОТОРЫЕ НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ 253
     
      § 38. Задачи будущего 253
      Два типа задач. — Притча о закваске и море.
     
      § 39. Новая теория элементарных частиц 254
      Белое пятно на карте теории. — Квантовая теория поля и ее трудности. — «Сумасшедшие» теории. — Футболист в микромире.
     
      § 40. Проблема антивещества 258
      Вторая половина мира. — Идеальное топливо. — Антимир на кончике пера. — Свойства позитрона. — Космические и «домашние» позитроны. — Как открыли антипротон. — Антинейтрон и антигипероны. — Первое антиядро. — Пять ядер антигелия и четыре ядра антитрития. — Где хранят античастицы. — Нейтронное кольцо. — Антивещество во Вселенной.
     
      § 41. Существуют ли кварки? 268
      1. Проблемы систематики частиц 268
      Буквы, частицы и физики.
      2. Унитарная симметрия 269
      Супермультиплеты. — Замечательная десятка. — -Ги перон. — Откуда берутся разности масс? — Музыканты и спортсмены.
      3. Кварковая гипотеза 274
      Три кошмарные частицы. — Десять комбинаций. — Идеальный «Конструктор».
      4. Новые кварки 277
      Открытие частицы со скрытым очарованием. — Четвертый кварк и очарованные частицы. — Пятый кварк и прелестные частицы. — Есть ли правда в природе, или проблема шестого кварка.
      5. Поиски кварков 278
      Природные и «самодельные» кварки. — Кварки в воде и в метеоритах. — Два слова «за здравие» кварков. — Заманчивое применение. — А теперь «за упокой». — Связанные кварки.
      6. Квантовая хромодинамика 282
      Цвет и аромат кварков. — Восемь цветных глюонов. — Центральная свобода и периферическая тюрьма.
     
      § 42. Монополь Дирака 283
      Несимметрия уравнений электродинамики. — Магнитный заряд. — Свойства монополя. — Поиски монополей на ускорителях. — Рождение монополей космическим излучением. — Поиски монополей в метеоритах и на Луне. — Использование магнитного поля Земли. — Существует ли монополь?
     
      § 43. Новые ядра 291
      b-Стабильные и b-радиоактивные ядра. — Что такое нуклонная стабильность ядер? — О протонной, двупротонной и двунейтронной радиоактивности. — Существуют ли ядра из одних нейтронов? — Сверхтяжелый гелий. — Где кончается периодическая система элементов Менделеева. — Как получают новые ядра. — Поиски сверхтяжелых ядер в природе.
      Заключение 299
      Список рекомендуемой литературы 301



      Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней...
      В.И. Ленин

      ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ

      Первые издания книги были тепло встречены читателями и критикой и, несмотря на большие тиражи, быстро разошлись. Автор получил много писем от читателей. Книга отмечена дипломом на конкурсе общества «Знание» и переведена на несколько иностранных языков. Все это, конечно, очень приятно, но и ко многому обязывает.
      С момента выхода в свет второго издания прошло уже 13 лет, а после появления первого — 16. Естественно, что за это время в такой быстро развивающейся науке, как ядерная физика, появилось много нового. И что особенно важно, это новое коснулось самого фундамента ядерной физики: радикально изменились представления о сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях, открыто много новых элементарных частиц. В связи с этим задача переработки книги оказалась довольно трудной. В нее пришлось ввести новые, достаточно сложные для популярного изложения (и для восприятия) понятия. Тем не менее автор пошел на такую переработку, считая, что потенциальный читатель книги тоже обновился и стал значительно образованнее и любознательнее.
      Конкретно, в третье издание книги внесены следующие новые материалы, отражающие современные достижения ядерной физики и физики элементарных частиц: рассказано об открытии промежуточных и Z0-бозонов, тяжелого лептона, очарованных и прелестных частиц; описано явление д-катализа термоядерного синтеза; дано понятие о квантовой хромодинамике и единой теории электрослабых взаимодействий; рассказано об обнаружении цепной реакции деления в природе, об открытии двупротонной радиоактивности, о ряде открытий, сделанных на Серпуховском ускорителе и ускорителях Дубны, о проектах новых ускорителей и реакторов, о свойствах ультрахолодных нейтронов и др. Кроме того, практически все разделы книги были дополнены и частично переработаны применительно к современному состоянию ядерной физики и физики элементарных частиц.
      Пользуясь удобным случаем, автор благодарит всех читателей за внимание и надеется на новые отклики.
      Автор
     
     
      ИЗ ПРЕДИСЛОВИЙ К ПРЕДЫДУЩИМ ИЗДАНИЯМ
     
      Всякая развивающаяся наука нуждается в молодых энтузиастах, влюбленных в нее и готовых посвятить ей всю жизнь. Такие влюбленные в науку энтузиасты наверняка есть среди учащейся молодежи. Но наука — Особа весьма серьезная и требовательная. Ей одной влюбленности мало. Она хочет иметь среди своих поклонников только тех, кому может ответить взаимностью. А для этого поклонники должны обладать вполне определенным «джентльменским набором» достоинств.
      Спрашивается, как найти таких молодых людей среди миллионов школьников?
      Аналогичные трудности испытывает и другая сторона. Не секрет, что молодой человек, кончающий школу, плохо знает себя и свои возможности и зачастую не может решить, в какую из многих Прекрасных Дам он влюблен по-настоящему: в быстроразвивающуюся и многообещающую Биологию или в переживающую вторую молодость Физику? А может быть, в старую, как мир, но вечно прекрасную Математику или в обновленную Химию (рис. 1)?
      Одним из способов решения задачи о взаимном поиске предмета поклонения и поклонников являются книги, написанные представителями одной стороны в адрес другой. Такие книги, по мнению автора, должны быть научными по содержанию (т.е. освещающими современное состояние науки и проблемные вопросы), популярными по форме изложения (т.е. доступными для читателя со средним и даже неполным средним образованием) и занимательными по стилю (т.е. интересно рассказывающими не только о великих открытиях, но и о повседневных буднях науки).
      Всем этим условиям удовлетворяли книги, издававшиеся в нашей стране до войны под рубрикой «Занимательная наука». Люди старшего поколения знают, что эти книги действительно внесли очень серьезный вклад в дело вовлечения молодежи в науку. Конечно, не все школьники, прочитавшие «Занимательную физику» Я.И. Перельмана, стали физиками. Но, по-видимому, все физики в школьные годы читали его книги.
      В чем же секрет неувядающей популярности этих книг? Почему они выдержали столь серьезное испытание временем? По-видимому, потому, что Я.И. Перельман сумел увидеть сам и показать другим, сколь интересна именно повседневная физика, та физика, с которой читатель встречается на каждом шагу. Читатель книг Я.И. Перельмана воочию убеждается, что интересно не только делать великие открытия, которые являются уделом немногих избранных, но и просто работать в области физической науки, потому что сама эта работа есть непрерывная цепь маленьких открытий, доставляющих большую творческую радость. А работать читатели Я.И. Перельмана начинали сразу же, так сказать, не отходя от книги: выводили формулы, делали расчеты, решали задачи, ставили опыты. Так читатель узнавал себя, свои вкусы и свои возможности.
      В арсенале Я.И. Перельмана были разные способы заинтересовать читателя физикой. Среди них немаловажную роль играла занимательность изложения материала. Книги Я.И. Перельмана занимательны в самом хорошем смысле этого слова, т.е. не развлекательны, а именно занимательны (у нас почему-то часто путают смысл этих двух различных терминов). Занимательный характер изложения у Я.И. Перельмана — не самоцель, а только средство привлечь внимание читателя к интересному самому по себе предмету или явлению. Целью у него всегда было раскрытие физической сущности этого явления.
      Итак, глубокая физичность, вера в творческую активность читателя и занимательность — вот те «три кита», на которых столь долго держится популярность книг Я.И. Перельмана.
      К сожалению, традиция издания занимательных книг о науке, подобных книгам Я.И. Перельмана, была постепенно утрачена. Вероятно, это случилось потому, что писать такие книги очень трудно (гораздо труднее, чем любые другие по своей специальности) ; между тем агитация за написание этих книг у нас проводится слабо. И все-таки эту традицию надо возрождать, и сделать это должны работники науки (а не журналисты!). Только люди, которым в науке нравится все, которые знают подробности трудной черновой научной работы и находят в ней радость творчества, могут (если сумеют) рассказать об этом так, чтобы читатель сознательно (зная, на что он идет) захотел сделать эту науку своей специальностью.
      Перед вами книга, в которой предпринимается такая попытка. Книга посвящена одной из труднейших и интереснейших наук современности — ядерной физике (включая физику элементарных частиц).
      Как следует из предыдущего, автору хотелось написать свою книгу в духе «Занимательной физики» Я.И. Перельмана. Но сделать это оказалось очень не просто отчасти из-за специфики подобных книг вообще, отчасти из-за отсутствия у автора соответствующего опыта, отчасти из-за сложности предмета. Автор неоднократно бросал, а потом снова начинал (не с того места, на котором остановился) писать эту книгу*. Порядок написания отдельных глав и параграфов абсолютно не соответствует их расположению. Одни разделы написаны, что называется, с ходу, другие много раз переделывались. Отсюда некоторая неровность стиля и другие недостатки. Словом, книга получилась не совсем такой, как была задумана. Тем не менее автор надеется, что она найдет своих читателей. И если некоторые из них по-настоящему заинтересуются ядерной физикой, то цель, поставленная автором, будет достигнута.
      Несколько замечаний о содержании и характере книги.
      Выбранная занимательная форма рассказа неизбежно привела к тому, что книга оказалась собранием избранных вопросов из ядерной физики и физики элементарных частиц. Поэтому она ни в какой степени не может заменить любой самый элементарный учебник с присущим ему систематическим изложением материала, упоминанием имен ученых и ссылками на литературу. Эта книга не очень систематичная, в ней сравнительно мало имен, а ссылки на литературу носят эпизодический характер. Однако, по мнению автора, эти особенности книги не помешают читателю понять ее содержание. Поясним эту мысль аналогией.
      Есть разные способы изучения иностранного языка. Один опирается на систематическое изучение правил грамматики и перевода, постановку произношения, заучивание слов и т.п. Вероятно, таким способом в конце концов язык выучить можно. Но процедура эта длинная, трудная и неинтересная. Другой способ заключается в том, что человек просто попадает в среду, где все, кроме него, говорят только на иностранном языке. Человеку трудно, но интересно. И язык он выучивает быстрее, чем первым способом.
      Вот именно таким вторым способом автор и предлагает читателю познакомиться с ядерной физикой. Пусть лучше читателю будет трудно и не сразу все понятно, но зато интересно. Интересные трудности легче преодолевать. Тем более что для этого даже не придется выходить за рамки данной книги: если хорошенько поискать, то в ней можно найти ответы почти на все непонятные вопросы.
      Нынешних школьников трудно сравнить с прежними, если так можно выразиться, «довоенными». У нас, кроме книг Я.И. Перельмана, почти ничего больше не было. Теперь наиболее любознательные школьники знают физику в объеме трехтомного курса под редакцией академика Г.С. Ландсберга. Имеется много научно-популярных книг по теории относительности, ядерной физике, ядерной энергетике, физике элементарных частиц и др. Наши журналы и газеты печатают множество статей популяризаторов науки. Поэтому автор может рассчитывать на то, что читатель этой книги знает многое из того, о чем в ней не говорится. Это позволяет не тратить время и место на набившие оскомину «обязательные главы» современных научно-популярных книг, посвященные описанию исторического хода развития наших знаний об атоме, атомном ядре и элементарных частицах. Вместо них в книге дана относительно небольшая вводная глава, в которой без особых пояснений сформулировано состояние наших знаний на сегодняшний день.
      Эта глава представляет собой нечто вроде краткого конспекта по ядерной физике, по которому можно судить о месте того или иного конкретного явления в этой науке и о взаимосвязи различных явлений, а также найти те разделы книги, где о них рассказывается подробнее. Таким образом, при активном использовании первой главы книгу можно читать не подряд. Естественно, что из-за всех этих особенностей вводная глава написана более строгим языком, чем остальные.
      Объекты микромира отличаются очень малыми размерами и массой и, как правило, движутся со скоростями, близкими к скорости света. Как в том, так и в другом случае классическая механика Ньютона перестает давать правильные результаты. В связи с этим физики, изучающие микромир, используют для интерпретации своих результатов квантовую механику и теорию относительности. Без понимания основных положений этих наук нельзя обойтись и при популярном изложении ядерной физики. Поэтому гл. 2 и 3 книги посвящены именно этим вопросам. Однако они, в отличие от других научно-популярных книг, приближены к задачам ядерной физики.
      Фундаментальнейшими вопросами ядерной физики и физики элементарных частиц являются вопросы о природе и характере взаимодействий, в которых участвуют микрочастицы, о законах сохранения и их роли в разных взаимодействиях. Им, а также вопросам классификации элементарных частиц посвящена гл. 4.
      Последующие главы посвящены собственно ядерной физике: ее достижениям и применениям, взаимосвязи с другими науками и нерешенным проблемам*. Изложение рассмотренных здесь вопросов проведено в общем для книги занимательном стиле. Ряд «наиболее занимательных» вопросов (неожиданные применения, интересные проекты, удивительные точности, любопытные эффекты и остроумные решения) выделен в большую самостоятельную главу.
      В книге довольно много формул и расчетов (которые доступны старшекласснику). Автор пошел на это сознательно. Настоящий физик не должен бояться математики. Физика — наука количественная, и подменять ее словами нельзя. Кстати, современный молодой человек, интересующийся физикой, это хорошо понимает. Один наш крупный ученый и хороший популяризатор рассказал как-то автору о своей встрече со школьниками — читателями его научно-популярной книги: школьники упрекали ученого за то, что в его книге слишком мало формул!
      В заключение несколько советов читателям.
      Из педагогических соображений автор старался строить изложение так, чтобы первое знакомство с новым вопросом происходило без особых подробностей. Сначала надо увидеть лес, а уже потом деревья. Представление о «лесе» в целом дает вводная глава, к которой мы рекомендуем периодически возвращаться, чтобы «не потерять за деревьями леса».
      *Рассказывая о разнообразных применениях ядерной физики и о ее взаимосвязи с другими науками, автор зачастую был вынужден довольно далеко отходить от своей узкой специальности и выступать в качестве дилетанта. Поэтому он заранее приносит свои извинения специалистам (медикам, химикам, археологам и др.), в руки которых может попасть эта книга, за упрощенное изложение соответствующего материала.
      Ядерная физика — наука сложная и трудная. Неискушенный читатель встречается здесь со множеством новых необычных явлений и понятий, к которым очень нелегко привыкнуть. Отчетливо представляя себе это и желая облегчить участь читателя, автор старался почаще разбавлять серьезный текст шуточными отступлениями, наглядными и забавными аналогиями, предполагаемыми случаями из жизни читателя и т.п. Все это, конечно, помогает восприятию материала, но при этом нельзя забывать, что аналогия в науке — вещь рискованная. Буквальное понимание ее часто приводит к вульгаризации. Поэтому, пользуясь аналогией, старайтесь понять, где она кончается, в чем она не проходит, и снова вернитесь к тому физическому явлению, для иллюстрации которого аналогия придумана.
      И, наконец, последний совет. В связи с занимательностью материала и облегченным способом его изложения книга может показаться простой. Не доверяйте этому ощущению и отнеситесь к ней достаточно серьезно. Чтобы от книги был толк, ее надо читать с карандашом и бумагой в руках и почаще размышлять над прочитанным.
      Во второе издание книги добавлен ряд новых разделов (вычитание релятивистских скоростей, разведка кладовых природы, поиски кварков в космическом излучении, поиски монополей в лунном веществе и на ускорителе в Серпухове, открытие антигелия). Одни разделы были существенно дополнены (закон сохранения энергии, ядерные стимуляторы сердца, гигантские ускорители) , в другие добавлены краткие сообщения о новых достижениях и проектах (геотермальная электростанция, воздушные и космические ядерные двигатели, ядерная «печка” Лунохода, новые изотопы курчатовия и поиски сверхтяжелых элементов, использование 252 Cf в медицинских целях и для отыскания полезных ископаемых), в третьих даны новые подробности о действующих установках и известных проектах (Серпуховский ускоритель, проект второго Панамского канала и др.). Кроме того, во второе издание внесено много мелких дополнений в соответствии с пожеланиями читателей.
      В заключение автор выражает искреннюю признательность проф. Л.В. Грошеву и чл.-кор. АН СССР И.И. Гуревичу за обсуждение рукописи книги, а также благодарит всех, кто своими советами помог ее написать.
      Автор
     
     
      Глава 1. (Вводная, она же завершающая)
      ЧТО ТАКОЕ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
     
      Чем более вникают в деяния природы, тем видима наиболее становится простота законов, коим следует она в своих деяниях.
      А.Н. Радищев
     
      § 1. НАША ПРОГРАММА
      Обращение к читателю. — Этапы познания природы. — Четыре элемента древних греков. — Атомистическая теория. — Тысячи молекул из сотни атомов. — Три элементарных кирпичика. — Новые открытия. — Опять сотни. — А может быть, их все-таки не так уж много? — Программа этой книги.
     
      Начнем с того, что читать эту главу сейчас, в начале книги, совсем не обязательно. Это — самая неинтересная (точнее говоря, самая незанимательная) глава, потому что в ней довольно сухо рассказывается о ядерной физике как о науке. Вместе с тем изложенный здесь материал может оказаться полезным по ходу чтения остальных глав книги, так как он связывает их воедино. Может быть, самое разумное обращение с этой главой заключается в следующем: надо прочесть этот параграф, бегло просмотреть остальные и перейти к другим главам, а затем периодически возвращаться к вводной главе за разъяснениями и указаниями и, наконец, внимательно прочесть ее в заключение всей книги.
      Итак, что такое ядерная физика, как она возникла и чем занимается, каковы ее достижения и что она еще не решила, как она связана с другими науками и в чем ее значение?
      В процессе познания природы человек всегда стремился как-то классифицировать изучаемые вещества, выделять сходные по свойствам, разбивать на составные (элементарные) части.
      Самую первую (из числа известных нам) попытку упорядочить окружающий мир предприняли древнегреческие философы-материалисты, которые считали, что все вещества состоят из четырех вечно существующих элементов: земли, воды, воздуха и огня. Большое разнообразие веществ они объяснили разными комбинациями этих четырех элементов. Из единства строения всех веществ делали вывод о возможности их взаимных превращений. Некоторые последователи этого учения ввели представление об атомистической природе вещества.
      Эти взгляды, кажущиеся сейчас весьма наивными, просуществовали до XVII столетия и сыграли огромную роль. Они не только утверждали материальность мира, но и в какой-то мере заложили качественные основы современного учения о разных состояниях вещества и об его атомномолекулярной структуре.
      С тех пор прошло 2500 лет. За это время человек накопил много конкретных сведений об окружающих его веществах, изучил их свойства, научился превращать одни вещества в другие и даже получать новые вещества, не встречающиеся в природе. Естественно, что одновременно с углублением познания закономерностей природы совершенствовались и взгляды на структуру вещества.
      В XVII в. возродилась (на новом уровне знания) атомистическая теория, согласно которой каждое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов материи. В конце XVIII в. ученые впервые узнали, что вода — сложное вещество, состоящее из двух простых веществ — кислорода и водорода. Соответственно понятие атомы материи было разбито на два: молекулы и атомы.
      Молекула является мельчайшей частицей сложного вещества. Каждое сложное вещество состоит из молекул одного типа. Сколько разных веществ, столько различных типов молекул.
      Атом — мельчайшая частица простого вещества — элемента. Элементов существенно меньше, чем веществ. В начале XIX в. их было известно 50, сейчас (вместе с созданными искусственно) — 107. Столько же имеется разных атомов*.
      *Строго говоря, разных атомов гораздо больше, так как почти все элементы имеют по нескольку изотопов. Однако изотопы были открыты уже после того, как атомы перестали считать элементарными частицами.
      И вот из сотни разных атомов как из элементарных кирпичиков можно построить многие, многие тысячи различных молекул.
      Таким образом, атомы приняли на себя функции четырех элементов древних греков. Углубление знаний о веществе привело к резкому возрастанию числа элементарных частиц.
      Когда были открыты атомы, им приписали свойство неделимости. И в течение целого столетия ученым казалось, что атомы действительно обладают этим свойством, так как во всех взаимодействиях между собой они вели себя как неделимые частицы. Однако в конце XIX — начале XX столетия неделимость атома была поставлена под сомнение. В то время были открыты катодное и рентгеновское излучения, радиоактивность. Все это указывало на сложный состав и общность структуры разных атомов.
      В 1911 г. было установлено, что любой атом состоит из ядра и окружающих его электронов. Этот год можно считать годом рождения ядерной физики, главной задачей которой является изучение атомного ядра.
      Первые сведения о структуре ядра были получены в 1919 г., когда в составе ядра открыли протоны. Вначале предполагали (ошибочно), что в составе ядра кроме протонов имеются еще и электроны. Ошибка была исправлена в 1932 г., когда в составе ядра открыли нейтроны. Теперь изучение любого вещества независимо от его состояния (твердого, жидкого, газообразного) и конкретного вида в конечном итоге сводится к изучению свойств и взаимодействия трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Любой атом состоит из этих частиц.
      Сравнительно недавно в связи с развитием работ по получению управляемой термоядерной реакции физики ввели на равных правах новое, четвертое состояние вещества — плазму. Плазма состоит не из атомов, а непосредственно из ядер (или ионов) и электронов, не связанных между собой. Наконец, физики и астрономы предполагают существование еще одного состояния вещества — чисто нейтронного. И в этих двух случаях все сводится к свойствам протонов, нейтронов и электронов.
      Открытие строения атома и атомного ядра — крупнейшее достижение ядерной физики. Подумайте только, все, что нас окружает, построено из элементарных частиц всего-навсего трех сортов! Каждая из них может участвовать не более чем в четырех видах взаимодействия: сильном (ядерном), электромагнитном, слабом и гравитационном, из которых одно — гравитационное — в микромире почти всегда можно не учитывать. Поэтому какое бы явление природы вы ни рассматривали (механическое, химическое, электрическое, магнитное, тепловое, ядерное), с какими бы состояниями вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазма) вы ни имели дела, все в конечном итоге сводится к нескольким (одному — трем) взаимодействиям двух-трех сортов частиц, причем очень часто преобладают только одно взаимодействие и всего два сорта элементарных частиц. Например, все атомные явления, в сущности, сводятся к электромагнитному взаимодействию электронов с ядром, состоящим из протонов и нейтронов, а внутриядерные — к сильному и электромагнитному взаимодействию между протонами и нейтронами ядра и слабому взаимодействию между ядром и электронами.
      Таким образом, ядерная физика существенно упростила картину «устройства мира», и в течение некоторого времени казалось, что в физике царит полное благополучие. Однако это благополучие очень скоро нарушилось.
      Более глубокое изучение свойств атомных ядер, протонов, нейтронов и электронов привело к открытию позитрона, нейтрино, мюонов, ТГ-мезонов и других частиц. Число элементарных составных частей, из которых построен мир, опять начинает возрастать, и в настоящее время это число (с учетом многочисленных нестабильных частиц — резонансов) снова превосходит сотню (и даже не одну).
      Изучением свойств элементарных частиц занимается специальная наука — физика элементарных частиц, которая раньше была одним из небольших разделов ядерной физики. Сейчас это изучение продвинулось уже настолько далеко и глубоко, что вновь появилась надежда на сокращение числа первичных элементов, из которых построен мир, и не исключено, что этих элементов будет сравнительно немного (см. § 41).
      Вы видите, что для познания окружающего мира человеку пришлось пройти увлекательный, но мучительно длинный и трудный путь изучения вещества, начиная от самых сложных его форм и кончая элементарными частицами. Рассказывая об успехах ядерной физики и физики элементарных частиц, очень соблазнительно повторить этот путь на бумаге в том же хронологическом порядке (но, конечно, упрощенно и сокращенно). Обычно так и поступают.
      Однако мы с вами сделаем иначе: мы пройдем этот путь не в прямом, а в обратном направлении. Это даст нам возможность избежать длинных обходных путей и миновать многочисленные тупики заблуждений, которые часто встречались ученым при их движении по лабиринту науки.
      Конечно, при таком методе изложения материала появляются свои трудности, потому что по мере «упрощения» картины устройства мира существенно усложняется способ его описания. Так, для описания микромира недостаточно классической механики и классической физики, а необходимы релятивистская механика и квантовая физика. Но ведь рано или поздно о них все равно придется рассказывать, так что даже с учетом этих трудностей наш «обратный» путь выглядит более экономным, чем «прямой».
      Итак, воспользуемся всем тем, что «добыла» ядерная физика за время своего существования, включая самые последние годы, и постараемся рассказать об этом по возможности наиболее рациональным способом. Для этого рассмотрим сначала свойства известных элементарных частиц, характер их взаимодействия, законы, которым подчиняются эти взаимодействия, классификацию элементарных частиц.
      Зная свойства элементарных частиц, мы сумеем уже сравнительно просто построить из них более сложные объекты — атомные ядра и атомы — и понять их свойства, т.е. перейти от физики элементарных частиц к ядерной и (частично) атомной физике. В соответствующих параграфах будут рассмотрены свойства как стабильных, так и радиоактивных ядер, ядерные реакции, ядерная энергетика и другие вопросы, а также многочисленные применения ядерной физики в самых разнообразных областях.
      Наконец, комбинируя разные атомы, можно было бы построить все известное нам многообразие различных веществ. Однако эти вопросы выходят за рамки ядерной физики, поэтому мы, как правило, заниматься ими не будем (хотя отдельные свойства макросреды рассмотрим).
      Сформулированная программа будет осуществлена дважды: один раз очень кратко, почти конспективно (но зато последовательно и систематично) — в пределах гл. 1; второй раз более подробно и, как мы надеемся, более интересно — на протяжении всех остальных глав.
      А теперь напоминаем, что те из вас, кому последующие параграфы гл. 1 покажутся трудными и скучными, могут пролистать их и сразу перейти к гл. 2. Но не забывайте возвращаться к вводной главе, если при чтении книги вы встретите что-нибудь непонятное или потеряете общую ориентировку. Найти нужное место в гл. 1 можно по подзаголовкам ее параграфов.


     
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
     
     
      СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
     
      * — Книги, отмеченные звездочкой, рассчитаны на более подготовленного читателя.
      Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. Изд. 3-е. М.: Атомиздат, 1969. 191 с.
      Арцимович Л.А. Что каждый физик должен знать о плазме. М.: Атомиздат, 1976. 112 с.
      *Власов Н.А. Антивещество. М.: Атомиздат, 1966. 183 с.
      *Вайнбергс. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной: Пер. с англ./Под ред. Я.Б. Зельдовича. М.: Энергоиздат, 1981. 208 с.
      Гарднер М. Теория относительности для миллионов: Пер. с англ. Изд. 3-е. М.: Атомиздат, 1979. 159 с.
      Гарднер М. Этот правый, левый мир: Пер. с англ. Изд. 2-е. М.: Мир, 1967. 268 с.
      Гольданский В.И. Новые элементы в периодической системе Д.И.Менделеева. Изд. 3-е. М.: Атомиздат, 1964. 280 с.
      *Дирак П.А.М. Пути физики: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983. 88 с.
      Компанеец А.С. Что такое квантовая механика. Изд. 2-е. М.: Наука, 1977. 215 с.
      *Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.1 и 2. Изд. 4-е. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 и 376 с.
      Намбу Е. Кварки: Пер. с яп. М.: Мир, 1984. 225 с.
      *Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1984. 224 с.
      Работнов Н.С. Ларчик можно не открывать. М.: Энергоатомиздат, 1983. 168 с.
      Сиборг Г.Т. Искусственные трансурановые элементы: Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1965. 168 с.
      Сиборг Г.Т., Вэленс Э.Г. Элементы Вселенной: Пер. с — англ. Изд. 2-е. М.: Наука, 1966. 264 с.
      Сивинцев Ю.В. И.В. Курчатов и ядерная энергетика. М.: Атомиздат, 1980. 80 с.
      Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: Пер. с англ. Вып. 1 — 4. М.: Мир, 1965. 268, 168, 238, 261 с.
      Флёров Г.Н., Ильинов А.С. На пути к сверхэлементам. М.: Педагогика, 1977. 112с.
      Франк-Каменецкий Д.А. Плазма — четвертое состояние вещества. Изд. 4-е. М.: Атомиздат, 1975. 160 с.
      *Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. 736 с.

 

 

ТРУДИМСЯ ДЛЯ ВАС, НЕ ПОКЛАДАЯ РУК!
ПОМОЖИТЕ ПРОЕКТУ МАЛОЙ ДЕНЕЖКОЙ >>>>

 

На главную Тексты книг БК Аудиокниги БК Полит-инфо Советские учебники За страницами учебника Фото-Питер Техническая книга Радиоспектакли Детская библиотека

 




Борис Карлов 2001—3001 гг. = БК-МТГК = karlov@bk.ru